光纤电压传感器制造技术

公开用于测量两个端子（1a，1b）之间的电压（V，Vn）、特别地高压体系中的AC电压的方法和装置。该方法和/或装置依靠电光元件（2；2a，2b，2c）中的电光效应。该电光效应在行进通过电光元件（2；2a，2b，2c）的两个垂直偏振光波中引入例如不同的光学相移。从而，可以测量指示在第n电光元件（2；2a，2b，2c）的位置处或第n电光元件（2；2a，2b，2c）长度上的电场的信号（Sn）。根据本发明专利技术，信号（Sn）中的模糊通过使用关于额外的参考信号或正交信号（Sn'）的假定测试而解决。通过将多个这些电光元件串联设置在端子之间，从成本效率和绝缘方面获得优势。此外，公开了用于测量高压的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光纤电压传感器
本专利技术涉及用于测量电压、特别地是高压范围内的AC电压的方法和装置。
技术介绍
光学高压传感器通常依赖例如Bi4Ge3O12（BGO）等晶体材料中的电光效应（例如，Pockels效应和/或Kerr效应）（L.Duvillaret,S.Rialland,和J.-L.Coutaz"Electro-opticsensorsforelectricfieldmeasurements.II.Choiceofthecrystalandcompleteoptimizationoftheirorientation"J.Opt.Soc.Am.B192704(2002)）。US4,904,931和US5,001,419公开了传感器，其中在单个BGO晶体的长度（典型地100mm与250mm长度之间）上施加全线路电压（高达几百kV）。BGO的晶类别具有对称性使得晶体在晶体长度上测量线积分∫E*ds，即从地到高压电势。因此，杂散场（例如，来自相邻相位）不影响测量。施加的电压在沿平行光路传播通过相同晶体的两个正交线性偏振光波之间引入差分光学相移。该相移与施加的电压成比例。光波在晶体末端处的偏振器处干涉。所得的光强与相移的DC偏置余弦函数成比例地变化。在高压变电站中的典型电压，相移可对应于π的若干倍并且从而导致模糊的传感器输出。该模糊通过将第二光学输出路径添加到该晶体而包含四分之一波延迟器（其在干涉波之间引入90°相位偏移）而得以解决。信号处理器从正交的两个光学输出信号重建施加电压的波形。这里，两个电信号的零交叉的双向累计计数根据两个电信号中的哪个领先而递增或递减。从零交叉的累计计数生成波形的阶梯近似。经由选择性地添加或扣除该两个光电信号中较小者的幅值而内插阶梯波形（基于通过两个电信号的相对极性来确定该调整的认识），从而实现输出信号的准确度提高。因为晶体处的电场强度典型地非常高，晶体安装在中空高压绝缘体中，该中空高压绝缘体由纤维增强环氧树脂制成并且用压力下的SF6气体填充以便获得足够的介电强度。绝缘体直径大到足以使绝缘体外的空气中的场强度保持在临界极限以下。US6,252,388描述电压传感器，其使用沿中空高压绝缘体的纵轴的选择位置处安装的若干较小电光晶体。晶体测量在它们的位点处的电场。这些本地场测量的总和充当施加到绝缘体的电压的近似。在该情况下，每个晶体处的电光相移在额定电压时在±90°内，即在传感器响应中没有模糊。US5,247,244公开了反射式且具有温度补偿的电光电压测量系统。再次，高压沿单个晶体施加并且两个光学平行光束穿过全晶体长度并且相对于彼此相移。温度补偿经由通过电光晶体的电容性电流的测量而得以实现，并且推导校正因子并且将其应用到半波电压并且用于计算瞬时电压值。US5,715,058公开了用于在反射设置中测量高压的另一个电光传感器。高压施加到晶体并且单个光束通过该晶体来回横穿。该光束仅在从晶体离开后分成两个光路，其相对于彼此相移。温度补偿通过测量相移波片的温度依赖性而实现。
技术实现思路
本专利技术的一般目标是以简单的方式在大的范围内准确地测量电压。该目标由独立权利要求的方法和装置实现。示范性实施例在从属权利要求和权利要求组合中公开。本专利技术涉及用于测量电压、特别地第一端子与第二端子之间的全电压和/或分电压的方法，该第一端子在空间上与第二端子分离并且电压在这些端子之间形成电场，该方法包括以下步骤：在第一与第二端子之间的电场中设置至少第一电光式光传输元件，将光传递通过第一电光式光传输元件，测量至少来自第一电光式光传输元件的第一信号（例如Sn）并且进一步测量来自第一或第二电光式光传输元件的第二信号（例如Sn'），其中两个信号都是电压的周期函数并且具有非零的相对相移，即相对于彼此的相对相移，并且可能是关于施加电压V或Vn的相对相移，推导电压并且解决从第一和第二信号推导电压（V）中的模糊，其特征在于以下步骤：（i）使用第一信号作为指示第一电光式光传输元件上的电场的基础信号，（ii）使用第二信号作为参考信号用于解决在推导电压中的模糊，（iii）从第一信号确定至少两个假定、例如h+和h－，其对应于电压、例如Vn（n=1）的不同可能电压值，例如V1h+和V1h－，（iv）对于假定中的每个，推导第二信号的预期值，例如S2h+和S2h－，（v）将预期值与第二信号的测量值比较，以及（vi）通过验证对于哪一个假定的预期值最接近第二信号的测量值而在这些假定之间采取二元决策。在实施例中，确定正好两个假定并且每基础信号使用正好一个参考信号，和/或使用欧式距离来确定预期值与测量值的接近性。在实施例中，基础信号是电压V或Vn的余弦，并且在第一假定下的电压设想为与+arccos成比例，并且在第二假定下的电压设想为与-arccos成比例。在实施例中，相对相移不同于90°。在实施例中，基础信号被归一化为围绕零的对称值范围，特别地基础信号被定标并且偏移到值范围[+1,－1]。在另一个实施例中，推导电压包括利用以下步骤重建改进的电压波形：从基础信号确定电压的第一电压值，特别地通过计算反余弦而从基础信号确定电压的第一电压值；从参考信号确定电压的第二电压值，特别地通过计算反余弦而从参考信号确定电压的第二电压值；以及从第一电压值和第二电压值确定改进的电压波形，特别地，其中从相同的光传输元件得出基础信号和参考信号。另外的实施例包括以下步骤：对于每第n电光式光传输元件，特别地对于正好一个电光式光传输元件，将基础信号和参考信号归一化到相同的最大和最小幅度，特别地到一；选择加权参数βn，其中0≤βn≤1；以及通过计算加权和来确定改进的电压波形，其中V1n、V2n=第n电光式光传输元件的第一和第二电压值。例如在正好一个电光式光传输元件的情况下，全电压V通过计算加权和而确定，其中=该正好一个电光式光传输元件的第一和第二电压值。另外的实施例包括以下步骤：选择加权参数βn使得作为电压的函数的基础信号和参考信号更线性则被给予更大权重。另外的实施例包括以下步骤：当基础信号的绝对值小于参考信号的绝对值时，选择加权参数βn=1，并且当参考信号的绝对值小于基础信号的绝对值时，选择加权参数βn=0。另外的实施例包括以下步骤：选择加权参数βn作为电压的连续函数，特别地根据。在另一个实施例中，使用第二电光式光传输元件，并且测量来自第二电光式光传输元件的第二信号，并且这些假定对应于施加到第一电光式光传输元件的分电压的不同可能电压值。另一个实施例包括以下步骤：使用至少两个电光式光传输元件并且使它们经受个体分电压；对于每第n电光式光传输元件测量第一信号并且将它用作指示该第n电光式光传输元件上的电场的第n基础信号；对于每第n电光式光传输元件确定第二信号并且将它用作用于解决在推导该第n电光式光传输元件上的第n分电压中的模糊的第n参考信号；以及对于每第n电光式光传输元件，执行方法步骤（iii）、（iv）、（v）和（vi）来对第n电光式光传输元件上的分电压消除模糊；以及从这些分电压确定第一与第二端子之间的全电压。在实施例中，并行地光学读出电光式光传输元件。在另一个实施例中，使用正好一个电光式光传输元件，并且这些假定对应于第一端子与第二端子之间的全电压的不同可能电压值。再另一个实施例包括对于每第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量电压（V，Vn）、特别地第一端子（1a）与第二端子（1b）之间的全电压（V）和/或分电压（Vn）的方法，其中所述第一端子（1a）在空间上与所述第二端子（1b）分离并且其中所述电压（V，Vn）在所述端子（1a，1b）之间形成电场，所述方法包括以下步骤：在所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的电场中设置至少一个第一电光式光传输元件（2，2a），将光传递通过所述第一电光式光传输元件（2，2a），测量来自所述第一电光式光传输元件（2，2a）的至少一个第一信号（Sn）并且进一步测量来自所述第一或第二电光式光传输元件（2，2a，2b，2c）的第二信号（Sn'），其中两个信号（Sn，Sn'）都是所述电压（V）的周期函数并且具有非零的相对相移，推导所述电压（V，Vn）并且解决在从所述第一信号（Sn）和所述第二信号（Sn'）推导所述电压（V，Vn）中的模糊，其特征在于以下步骤：（i）使用所述第一信号（Sn）作为指示所述第一电光式光传输元件（2，2a）上的电场的基础信号（Sn），（ii）使用所述第二信号（Sn'）作为用于解决在推导所述电压（V，Vn）中的模糊的参考信号（Sn'），（iii）从所述第一信号（Sn）确定对应于所述电压（V，Vn）的不同可能电压值（Vnh+，Vn h－）的至少两个假定（h+，h－），（iv）推导对于所述假定（h+，h－）中的每个的第二信号（Sn'）的预期值（Snh+，Snh－），（v）将所述预期值（Snh+，Snh－）与所述第二信号（S2）的测量值比较，以及（vi）通过验证对于哪一个假定（h+，h－）的所述预期值（Snh+，Snh－）最接近所述第二信号（Sn'）的测量值而在所述假定（h+，h－）之间采取二元决策。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.27 EP 11167811.61.一种用于测量第一端子（1a）与第二端子（1b）之间的全电压（V）和/或分电压（Vn）的方法，其中所述第一端子（1a）在空间上与所述第二端子（1b）分离并且其中所述电压（V，Vn）在所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间形成电场，所述方法包括以下步骤：在所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的电场中设置多个电光式光传输元件（2a，2b），其中所述多个电光式光传输元件（2a，2b）在所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的轴向方向上串联设置，将光传递通过所述多个电光式光传输元件（2a，2b），测量来自第一电光式光传输元件（2a）的第一信号（Sn）并且进一步测量来自第二电光式光传输元件（2b）的第二信号（Sn'），其中两个信号（Sn，Sn'）都是所述电压（V）的周期函数并且具有非零的相对相移，推导所述电压（V，Vn）并且解决在从所述第一信号（Sn）和所述第二信号（Sn'）推导所述电压（V，Vn）中的模糊，其特征在于以下步骤：（i）使用所述第一信号（Sn）作为指示所述第一电光式光传输元件（2a）上的电场的基础信号（Sn），（ii）使用所述第二信号（Sn'）作为用于解决在推导所述电压（V，Vn）中的模糊的参考信号（Sn'），（iii）从所述第一信号（Sn）确定对应于所述电压（V，Vn）的不同可能电压值（Vnh+，Vnh－）的至少两个假定（h+，h－），（iv）推导对于所述假定（h+，h－）中的每个的第二信号（Sn'）的预期值（Snh+，Snh－），（v）将所述预期值（Snh+，Snh－）与所述第二信号（Sn'）的测量值比较，以及（vi）通过验证对于哪一个假定（h+，h－）的所述预期值（Snh+，Snh－）最接近所述第二信号（Sn'）的测量值而在所述假定（h+，h－）之间采取二元决策，其中所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间施加的电压（V）的波形使用所述多个电光式光传输元件（2a，2b）来重建而对于每个电光式光传输元件（2a，2b）不需要正交信号，以及其中进一步地，测量每个电光式光传输元件（2，2a，2b）的仅一个信号。2.如权利要求1所述的方法，其中确定正好两个假定（h+，h－）并且每个基础信号（Sn）使用正好一个参考信号（Sn'），和/或，其中使用欧式距离来确定所述预期值（Snh+，Snh－）到所述测量值（Sn'）的接近性。3.如权利要求1所述的方法，其中所述基础信号（Sn）是所述电压（V，Vn）的余弦函数，并且在第一假定（h+）下的电压（Vnh+）假设为与+arccos成比例，并且在第二假定（h－）下的电压（Vnh－）假设为与-arccos成比例。4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一信号（Sn）和所述第二信号（Sn'）具有与所述电压（V）相同的周期性。5.如权利要求1所述的方法，其中存在所述第二电光式光传输元件（2b），并且所述第一信号（Sn）和所述第二信号（Sn'）之间的相对相移至少部分由设置在所述第二电光式光传输元件（2b）中的光路中的相移元件（3）引入。6.如权利要求1所述的方法，其中所述第一信号（Sn）和所述第二信号（Sn'）之间的相对相移不同于90°。7.如权利要求5所述的方法，其中所述第一信号（Sn）和所述第二信号（Sn'）之间的相对相移是所述相移元件（3）的温度的函数，并且所述相移元件（3）的温度从所述第二信号（Sn'）推导。8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述电压在高压范围内和/或所述电压是AC电压，其中所述第一信号（Sn）和所述第二信号（Sn'）基于穿过所述电光式光传输元件（2a，2b）的光的物理性质的电场依赖型改变，该改变由所述电光式光传输元件（2a，2b）引入。9.如权利要求8所述的方法，其中所述电场依赖型改变是所述电光式光传输元件（2，2a，2b）的温度的函数，并且推导的所述相移元件（3）的温度在推导所述电压（V）中使用。10.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中在第一时间t1与第二时间t2>t1之间的第一时间区间[t1；t2]中，所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的电压（V）的范围大到足以使得所述第一信号和所述第二信号达到它们的作为所述电压（V）的函数的最大和最小值，并且其中在第三时间t3>t2与第四时间t4>t3之间的第二时间区间[t3；t4]中，所述电压（V）的范围未大到足以使得所述第一信号和所述第二信号达到它们的作为所述电压（V）的函数的最大和最小值，并且其中在所述第一时间区间[t1；t2]中推导的所述第一信号和所述第二信号的至少标度和/或偏移在所述第二时间区间[t3；t4]中推导所述电压（V）中使用。11.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述电光式光传输元件（2，2a，2b）包括光学传感器（21），其在穿过所述电光式光传输元件（2，2a，2b）的光的第一偏振或模式与第二偏振或模式之间引入场依赖型相移，并且其中所述光学传感器（21）包括：具有场依赖型双折射的电光装置，或展现Pockels效应的极化波导，或压电装置，以及携有至少两个模式的光学波导，其中所述波导连接到所述压电装置使得所述波导的长度是场依赖型的。12.如权利要求9所述的方法，其中所述电光式光传输元件（2，2a，2b）包括光学传感器（21），其在穿过所述电光式光传输元件（2，2a，2b）的光的第一偏振或模式与第二偏振或模式之间引入场依赖型相移，并且其中所述光学传感器（21）包括：具有场依赖型双折射的电光装置，或展现Pockels效应的极化波导，或压电装置，以及携有至少两个模式的光学波导，其中所述波导连接到所述压电装置使得所述波导的长度是场依赖型的。13.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中在推导期间，通过使用具有两个不同波长的光来去除模糊。14.如权利要求9所述的方法，其中在推导期间，通过使用具有两个不同波长的光来去除模糊。15.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述基础信号（Sn）和/或所述参考信号（Sn'）归一化到围绕零的对称值范围。16.如权利要求15所述的方法，其中对于所述基础信号（Sn）确定零交叉的数量的双向累计计数k并且在推导所述电压（V，Vn）中使用所述计数k。17.如权利要求5所述的方法，其中所述相移元件（3）是λ/4延迟器。18.如权利要求11所述的方法，其中所述具有场依赖型双折射的电光装置是结晶Bi4Ge3O12（BGO）或Bi4Si3O12（BSO）的晶体。19.如权利要求13所述的方法，其中所述基础信号（Sn）和/或所述参考信号（Sn'）被定标且偏移到值范围[+1，－1]。20.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中在没有延迟器的情况下操作所述第一电光式光传输元件（2a）。21.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中使用所述第二电光式光传输元件（2b），并且测量来自所述第二电光式光传输元件（2b）的第二信号（Sn'），并且所述假定（h+，h－）对应于施加到所述第一电光式光传输元件（2a）的分电压（Vn）的不同可能电压值（V1h－，V1h+）。22.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中使用至少两个电光式光传输元件（2a，2b）并且使它们经受个体分电压（Vn），对于每个第n电光式光传输元件（2a，2b）测量所述第一信号（Sn）并且将它用作指示所述第n电光式光传输元件（2a）上的电场的第n基础信号（Sn），对于每个第n电光式光传输元件（2a，2b）确定第二信号（Sn'）并且将所述第二信号（Sn'）用作用于解决在推导所述第n电光式光传输元件（2a，2b）上的第n分电压（Vn）中的模糊的第n参考信号（Sn'），以及对于每个第n电光式光传输元件（2a，2b）执行方法步骤（iii）、（iv）、（v）和（vi）来对该第n电光式光传输元件（2a，2b）上的分电压（Vn）消除模糊，以及从所述分电压（Vn）确定所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的全电压（V）。23.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述电光式光传输元件（2a，2b）串联设置用于使电场分布在所述电光式光传输元件（2a，2b）上。24.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中并行地光学读出所述电光式光传输元件（2a，2b）。25.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其包括：向每个电光式光传输元件（2a，2b）施加分电压（Vn），从所述第一和第二信号（Sn，Sn'）确定对于每个电光式光传输元件（2a，2b）的分电压（Vn），通过计算所有分电压（Vn）的总和（）来确定所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的总电压（V）。26.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：定义至少一个内部参数αn=Vn/V，其中Vn=施加到第n电光式光传输元件（2a，2b）的分电压并且V=所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的总电压（V），确定对于所有电光式光传输元件（2a，2b）的αn的估计，以及使用所述αn用于解决在从所述第一信号（Sn）推导所述电压（V，Vn）中的模糊。27.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤：将至少第三电光式光传输元件（2c）设置在所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的电场中，使光传递通过所述第三电光式光传输元件（2c），测量来自所述第三电光式光传输元件（2c）的至少第三信号（S3），其中所述第三信号（S3）指示所述第三电光式光传输元件（2c）上的电场，并且其中所述第三信号（S3）是所述电压（V）的周期函数，从所述第一信号（Sn）、所述第二信号（Sn'）和所述第三信号（S3）推导所述电压（V），其中所述第二信号（Sn'）用于解决在使用所述第一信号（Sn）和所述第三信号（S3）推导所述电压（V）中的模糊。28.如权利要求1-7中任一项所述的方法，对于每个第n电光式光传输元件（2a，2b）和它对应的基础信号（Sn）和/或参考信号（Sn'），执行以下步骤：重建所述第一端子（1a）与所述第二端子（1b）之间的全电压（V）和/或分电压（Vn）的波形；计算重建波形的若干周期上的时间平均值，从所述时间平均值确定明显的DC偏移电压VDC，以及根据计算所述基础信号（Sn）和/或参考信号（Sn'）关于施加电压的相对相位Δn，其中Vh,n=第n电光式光传输元件（2a，2b）的半波电压。29.如权利要求11所述的方法，所述压电装置是结晶石英或压电陶瓷。30.如权利要求12所述的方法，所述压电装置是结晶石英或压电陶瓷。31.根据权利要求1-7中任一项所述的用于测量电压（V，Vn）的方法，其特征在于以下步骤：（i）使用所述第一信号（Sn）作为指示所述第一电光式光传输元件（2a）上的电场的基础信号（Sn），（ii）使用所述第二信号（Sn'）作为用于解决在推导所述电压（V，Vn）中的模糊的参考信号（Sn'），（iii）从所述第一信号（Sn）确定对应于所述电压（V，Vn）的不同可能电压值（Vnh+，Vnh－）的两个假定（h+，h－），（iv）确定所述基础信号Sn与所述参考信号Sn'之间的实际相...

【专利技术属性】
技术研发人员：O斯泰格，J帕斯卡尔，K博内特，SV马彻塞，S维德马思，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH